專利名稱：一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，屬于制造業(yè)信息化和數(shù)據(jù)處理的技術領域。
背景技術：
隨著民用飛機及其系統(tǒng)、設備復雜性的逐漸增長，使用維修和培訓費用大幅增長，維修工作對保持民用飛機的完好性和可用性起著非常重要的作用。因此，民用飛機的維修問題引起了工業(yè)界的重視。傳統(tǒng)民用飛機的維修訓練、實施、評估和驗證工作通常都是在實際飛機上進行，對民用飛機維修人員的訓練工作一般采用兩種方法，一是由有關單位組織進行維修訓練，二是由民用飛機維修基地自行訓練其維修人員。這兩種維修訓練方法都是在實機上進行。這種維修方法存在以下缺陷(1)鑒于民用飛機數(shù)量、型號、訓練場地和環(huán)境有限，受訓人員數(shù)量和操作時間難以保證，訓練效率低，維修知識和技能難于普及；(2)實機維修必須在民用飛機樣機制造好之后才可以對其維修性進行準確的分析，容易造成飛機或系統(tǒng)、設備的設計制造的返工，增加飛機或系統(tǒng)、設備的設計制造費用。虛擬維修訓練以民用飛機維修訓練為研究對象，以虛擬現(xiàn)實技術為基礎，以計算機及其相應的硬件設備為實驗手段，為民用飛機的維修訓練建立起一個“實機”、“實地”和“實時”的仿真環(huán)境?，F(xiàn)有技術多以產品協(xié)同設計為目標，支持多用戶的產品協(xié)同設計工程，但是現(xiàn)有產品協(xié)同設計的技術從產品設計的角度出發(fā)，沒有考慮如何支持虛擬維修工程，產品維修數(shù)據(jù)的存儲和訪問，產品協(xié)同維修過程等問題。由于維修工程比設計過程涉及到的因素和相關人員類型更多，過程更復雜，所以現(xiàn)有的技術不能做到支持虛擬維修的過程。缺乏根據(jù)CAD數(shù)據(jù)自動生成任務和管理任務的功能。沒有維修訓練效果評估功能、維修性、工效性評估功能。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是針對上述背景技術的不足，提供了一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)。本發(fā)明為實現(xiàn)上述發(fā)明目的采用如下技術方案—種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，包括界面接口層、應用層、技術支持層；其中所述界面接口層通過數(shù)據(jù)接口、用戶接口、硬件接口與應用層連接，所述技術支持層通過應用接口與應用層連接；所述應用層包括CAD數(shù)據(jù)處理模塊、維修任務生成和管理模塊、外設硬件驅動模塊、維修資源模塊、維修仿真模塊、維修分析評價模塊，其中所述CAD數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修資源模塊連接，所述維修資源模塊與維修仿真模塊連接，所述維修任務生成和管理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接，所述維修仿真模塊與維修分析評價模塊連接，所述外設硬件驅動模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接。
所述一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，CAD數(shù)據(jù)處理模塊包括依次連接的數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元、STEP格式數(shù)據(jù)解析單元、STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元和STEP格式數(shù)據(jù)提取單元，其中所述數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元用于將各種格式的CAD數(shù)據(jù)模型轉換為STEP格式的數(shù)據(jù)；所述STEP格式數(shù)據(jù)解析單元用于對STEP格式的數(shù)據(jù)進行解析，得到CAD數(shù)據(jù)模型的核心信息，所述核心信息包括數(shù)字樣機CAD數(shù)據(jù)模型零部件的尺寸信息、形狀信息及裝配約束信息；所述STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元用于對核心信息做輕量化處理得到應用數(shù)字樣機；所述STEP格式數(shù)據(jù)提取單元用于提取CAD數(shù)據(jù)信息，封裝維修仿真過程中用到的應用信息組成維修要素Agent對象。所述一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，維修任務生成和管理模塊包括依次連接的系統(tǒng)結構識別單元、標識和任務生成單元、任務仿真驗證單元、訓練任務分配Agent單元；其中所述系統(tǒng)結構識別單元用于提取民用飛機數(shù)字樣機模型系統(tǒng)和零部件的ATA編碼；所述標識和任務生成單元根據(jù)民用飛機的系統(tǒng)結構樹、任務內容模式、失效模式和維修方式生成維修任務庫；所述任務仿真驗證模塊根據(jù)維修標準規(guī)范驗證維修任務的可實施性、安全性和可靠性，最終確定待實施的維修任務庫；所述訓練任務分配Agent單元用于根據(jù)用戶配置信息智能的為維修仿真模塊分配維修任務。所述一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，外設硬件驅動模塊包括外設驅動單元、姿態(tài)動作識別單元、人體模型庫單元和硬件接口 Agent單元；其中所述外設驅動單元的輸入端連接各外設硬件，用于驅動外設硬件；所述姿態(tài)動作識別單元輸出端與人體模型庫連接，用于把實際人體動作和姿態(tài)識別出來并存入數(shù)據(jù)庫；所述人體模型庫用于保存人體屬性信息；所述硬件接口 Agent單元用于向維修資源模塊、維修仿真模塊和維修分析評價模塊提供所需的維修設備驅動程序、人體動作和姿態(tài)信息、人體屬性信息。所述一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，維修資源模塊包括智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元、交互黑板模塊，所述智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元分別與交互黑板模塊連接。所述一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)中，維修仿真模塊包括維修作業(yè)工序制定Agent單元、拆裝序列優(yōu)化Agent單元、碰撞檢測Agent單元、維修仿真Agent單元和維修專家系統(tǒng)單元；其中所述維修作業(yè)工序制定Agent單元用于根據(jù)訓練任務Agent得出維修任務作業(yè)工序序列；
所述拆裝序列優(yōu)化Agent單元用于根據(jù)樣機系統(tǒng)結構樹得到優(yōu)化的部件裝配序列；所述碰撞檢測Agent單元用于根據(jù)樣機部件和拆裝序列得到優(yōu)化的部件裝配路徑;所述維修仿真Agent單元用于根據(jù)維修任務、維修要素、作業(yè)環(huán)境及前提終止條件，仿真維修任務過程；所述維修專家系統(tǒng)用于存儲案例庫、知識庫和規(guī)則庫，輔助對作業(yè)工序、拆裝序列、碰撞檢測、維修過程仿真、維修要素交互進行優(yōu)化。本發(fā)明采用上述技術方案，具有以下有益效果采用多種交互方式相結合的訓練方式的同時不消耗現(xiàn)實資源和能量，縮短訓練時間，降低訓練成本，增強了虛擬操作訓練的效果；對推動民機數(shù)字化維修和維修訓練技術的發(fā)展具有重要的意義。


圖1為民用飛機智能虛擬維修訓練系統(tǒng)的示意圖。圖2為維修資源模塊中三個智能模型交互的示意圖。圖3為三角隸屬度函數(shù)的示意圖。
具體實施例方式下面結合附圖對發(fā)明的技術方案進行詳細說明如圖1所述的民用飛機的智能虛擬維修系統(tǒng)包括界面接口層、應用層、技術支持層。界面接口層通過數(shù)據(jù)接口、用戶接口、硬件接口與應用層連接，技術支持層通過應用接口與應用層連接。應用層包括CAD數(shù)據(jù)處理模塊、維修任務生成和管理模塊、外設硬件驅動模塊、維修資源模塊、維修仿真模塊、維修分析評價模塊，其中所述CAD數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修資源模塊連接，所述維修資源模塊與維修仿真模塊連接，所述維修任務生成和管理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接，所述維修仿真模塊與維修分析評價模塊連接，所述外設硬件驅動模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接。技術支持層包括虛擬人體建模和仿真模塊、虛擬顯示技術交互模塊、PDM系統(tǒng)、VR外設及驅動程序、HLA技術、工作流技術、離散時間建模和仿真模塊、CAA 二次開發(fā)技術、CATIA軟件。技術支持層為智能虛擬維修訓練提供基礎技術支持。CAD數(shù)據(jù)處理模塊包括數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元、STEP格式數(shù)據(jù)解析單元、STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元和STEP格式數(shù)據(jù)提取單元。CAD數(shù)據(jù)處理模塊進對導入的民用飛機數(shù)字樣機模型的CAD數(shù)據(jù)做處理。界面接口層除了導入數(shù)字樣機CAD數(shù)據(jù)，同時導入人體數(shù)據(jù)、維修工具數(shù)據(jù)。CAD數(shù)據(jù)處理模塊包括依次連接的數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元、STEP格式數(shù)據(jù)解析單元、STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元和STEP格式數(shù)據(jù)提取單元。數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元用于將各種格式的CAD數(shù)據(jù)模型轉換為STEP格式的數(shù)據(jù)。STEP格式數(shù)據(jù)解析單元用于對STEP格式的數(shù)據(jù)進行解析，得到CAD數(shù)據(jù)模型的核心信息，所述核心信息包括數(shù)字樣機CAD數(shù)據(jù)模型零部件的尺寸信息、形狀信息及裝配約束信息(零部件之間的連接關系、動作制約的關系)。STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元用于對核心信息做輕量化處理得到應用數(shù)字樣機(濾去零部件之間的拓撲結構關系、零部件的材質信息等完成維修任務不必要的信息)。STEP格式數(shù)據(jù)提取單元用于提取CAD數(shù)據(jù)信息，封裝維修仿真過程中用到的應用信息組成維修要素Agent對象。維修仿真過程中用到的應用信息指的是工具的抓緊部、工作部、工作類別、工作狀態(tài)、部件的工作部、操作部等信息。將CAD數(shù)據(jù)模型的核心信息于應用信息結合起來可以簡化數(shù)據(jù)量，增強應用軟件的實用性。維修資源模塊包括智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元、交互黑板單元，智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元分別與交互黑板單元連接。智能部件Agent單元根據(jù)部件CAD數(shù)據(jù)處理模塊得到的數(shù)字樣機零部件尺寸、形狀、約束信息構建智能部件模型IP，加入虛擬維修部件的智能屬性(典型的虛擬部件智能屬性包括裝配部、操作部、失效模式、維修模式等)，使其擁有Agent的框架體系，便于實時地智能運算、維修操作，并與原來的CATIA數(shù)據(jù)兼容。智能人體Agent單元根據(jù)人體CAD數(shù)據(jù)處理單元得到的人體尺寸、形狀、約束信息構建智能人體模型IB，加入虛擬維修人的智能屬性(典型的虛擬人智能信息包括身高、臂長、姿態(tài)、體態(tài)、維修姿態(tài)等)，使其擁有Agent的框架體系，便于實時地智能運算、維修操作，并與原來的CATIA數(shù)據(jù)兼容。智能工具Agent單元根據(jù)工具CAD數(shù)據(jù)處理單元得到的工具尺寸、形狀、約束信息建立工具庫，進而得到智能工具模型IT，加入虛擬維修的工具智能屬性(典型的虛擬工具智能屬性包括工具類別、工具位姿、工具部、抓緊部和工具狀態(tài)等)，使其擁有Agent的框架體系，便于實時地智能運算、維修操作，并與原來的CATIA數(shù)據(jù)兼容。智能部件模型IP、智能人體模型IB、智能工具模型IT三者之間的交互示意圖如圖2所示。維修任務生成和管理模塊包括任務生成單元、任務仿真驗證單元、訓練任務分配單元。任務生成單元提取數(shù)字樣機零部件ATA編碼、系統(tǒng)或零件名稱、失效模式和維修模式信息，根據(jù)民用飛機的系統(tǒng)樹結構、任務標識構建維修任務庫。任務仿真驗證單元根據(jù)任務內容結構層次規(guī)范要求驗證生成的維修任務是否符合維修標準的要求，剔除不合要求的維修任務，最終確定可實施的維修任務庫。民用飛機的系統(tǒng)結構樹分解為子系統(tǒng)，再將子系統(tǒng)劃分零部件。任務標識是表示任務的唯一識別碼。任務內容結構層次規(guī)范指的是符合相關維修標準的規(guī)范內容，如ATA2200標準、ASD-S1000D標準。訓練任務分配單元將可實施的維修任務分配給維修仿真模塊。外設硬件驅動模塊包括數(shù)據(jù)手套、頭盔顯示器、三維鼠標、聲音裝置、投影設備等硬件設備的驅動、姿態(tài)動作識別單元。姿態(tài)動作識別單元根據(jù)訓練人員操作外設硬件的姿態(tài)與動作，結合人體模型生成姿態(tài)庫與動作庫。維修資源模塊中的Agent對象通過硬件接口與外設硬件交互，將訓練人員對外設硬件的操作映射到智能人Agent對象對外設硬件的操作。人體模型是CAD軟件中讀取的，也可以自行設計人體模型。維修仿真模塊根據(jù)裝配設備的不同層次和區(qū)域生成不同層次維修任務的裝配工序；結合專家知識庫法則檢驗原有工序的優(yōu)化程度，根據(jù)用戶錄入的知識規(guī)則不斷迭代優(yōu)化作業(yè)工序；通過人機交互接口將任務仿真過程呈現(xiàn)在用戶面前。維修仿真模塊包括維修作業(yè)工序制定Agent單元、拆裝序列優(yōu)化Agent單元、碰撞檢測Agent單元、維修仿真Agent單元和維修專家系統(tǒng)單元。維修作業(yè)工序制定Agent單元用于根據(jù)訓練任務Agent得出維修任務作業(yè)工序序列。拆裝序列優(yōu)化Agent單元用于根據(jù)樣機系統(tǒng)結構樹得到優(yōu)化的部件裝配序列。碰撞檢測Agent單元用于根據(jù)樣機部件和拆裝序列得到優(yōu)化的部件裝配路徑。維修仿真Agent單元用于根據(jù)維修任務、維修要素、作業(yè)環(huán)境及前提終止條件，仿真維修任務過程。維修專家系統(tǒng)用于存儲案例庫、知識庫和規(guī)則庫，輔助對作業(yè)工序、拆裝序列、碰撞檢測、維修過程仿真、維修要素交互進行優(yōu)化。維修分析評價模塊由一系列的子功能評價單元、信息交互黑板和數(shù)據(jù)庫組成。一系列子功能評價模塊是根據(jù)維修評價指標(可視性、可達性、簡單性、易測性、工效性等指標屬性)而設置的。通過智能虛擬維修系統(tǒng)和用戶的交互，由數(shù)據(jù)庫提供了維修評價知識庫和技術支持，從而進行相應的訓練效果評價、維修性分析評估、維修工效性評價、經(jīng)濟性評價和作業(yè)時間標準分析。·
維修分析評價模塊包括訓練效果評價單元、維修性分析評估單元、維修工效性評價單元、經(jīng)濟性評價單元和作業(yè)時間標準分析單元。訓練效果評價單元用于評價受訓人員訓練效果。維修性分析評估單元用于評價數(shù)字樣機的設計維修性。維修工效性評價單元用于評價對維修工效性的。經(jīng)濟性評價單元用于評價系統(tǒng)維修成本。作業(yè)時間標準分析單元用于評價維修工時、身體負荷、疲勞度。訓練效果評價是根據(jù)受訓人員模型，從維修領域知識庫中選取未被受訓人員掌握的維修知識給受訓人員學習，這些未掌握的知識主要指針對某一維修任務中所涉及到的領域知識，包括發(fā)生故障部件的原理、結構、維修手冊及相關資料、故障現(xiàn)象、故障影響，故障原因、排除故障方法等；再將涉及到這些知識的維修案例的維修過程模型提取出來，并進行實時虛擬過程仿真，在此期間，受訓人員充分學習相關維修操作等知識；訓練結束后，根據(jù)領域專家給出的水平等級體系，對受訓人員所掌握的維修知識水平進行評估，給出評價值；根據(jù)維修評估指標體系，對受訓人員的維修能力進行評估，評價其維修能力處于什么等級，并給受訓人員打分。維修性分析評估是通過對維修性評價指標可視性、可達性、簡單性、易測性、工效性等指標，綜合評價給出維修性評價等級。以維修性各屬性值為基礎，采用基于多屬性決策理論對產品維修性綜合評價方法。多屬性決策一般包括屬性值的預處理、屬性權重的確定、方案排序或評分等步驟。基于多屬性決策理論開展維修性綜合評判同樣包括維修性屬性值的預處理、維修性屬性權重的確定以及維修性綜合評價等相應步驟。由于維修性各評價因素具有模糊性，建立模糊評價集V={ “非常差”，“差”，“比較差”，“一般”，“比較好”，“好”，“非常好”}對各屬性進行評價，評價集各自然語言變量用三角模糊數(shù)來定量化表示，表I為不同自然語言變量三角模糊數(shù)的取值。三角模糊數(shù)隸屬度函數(shù)如圖3所示，結果如表I所示。表I模糊評價集三角隸屬度
權利要求
1.一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于包括界面接口層、應用層、技術支持層；其中所述界面接口層通過數(shù)據(jù)接口、用戶接口、硬件接口與應用層連接，所述技術支持層通過應用接口與應用層連接；所述應用層包括CAD數(shù)據(jù)處理模塊、維修任務生成和管理模塊、外設硬件驅動模塊、維修資源模塊、維修仿真模塊、維修分析評價模塊，其中所述CAD數(shù)據(jù)處理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修資源模塊連接，所述維修資源模塊與維修仿真模塊連接，所述維修任務生成和管理模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接，所述維修仿真模塊與維修分析評價模塊連接， 所述外設硬件驅動模塊通過數(shù)據(jù)接口與維修仿真模塊連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于所述CAD數(shù)據(jù)處理模塊包括依次連接的數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元、STEP格式數(shù)據(jù)解析單元、STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元和STEP格式數(shù)據(jù)提取單元，其中所述數(shù)據(jù)格式STEP —致性處理單元用于將各種格式的CAD數(shù)據(jù)模型轉換為STEP格式的數(shù)據(jù)；所述STEP格式數(shù)據(jù)解析單元用于對STEP格式的數(shù)據(jù)進行解析，得到CAD數(shù)據(jù)模型的核心信息，所述核心信息包括數(shù)字樣機CAD數(shù)據(jù)模型零部件的尺寸信息、形狀信息及裝配約束信息；所述STEP數(shù)據(jù)輕量化處理單元用于對核心信息做輕量化處理得到應用數(shù)字樣機； 所述STEP格式數(shù)據(jù)提取單元用于提取CAD數(shù)據(jù)信息，封裝維修仿真過程中用到的應用信息組成維修要素Agent對象。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于所述維修任務生成和管理模塊包括依次連接的系統(tǒng)結構識別單元、標識和任務生成單元、任務仿真驗證單元、訓練任務分配Agent單元；其中所述系統(tǒng)結構識別單元用于提取民用飛機數(shù)字樣機模型系統(tǒng)和零部件的 ATA編碼；所述標識和任務生成單元根據(jù)民用飛機的系統(tǒng)結構樹、任務內容模式、失效模式和維修方式生成維修任務庫；所述任務仿真驗證模塊根據(jù)維修標準規(guī)范驗證維修任務的可實施性、安全性和可靠性，最終確定待實施的維修任務庫；所述訓練任務分配Agent單元用于根據(jù)用戶配置信息智能的為維修仿真模塊分配維修任務。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于所述外設硬件驅動模塊包括外設驅動單元、姿態(tài)動作識別單元、人體模型庫單元和硬件接口 Agent單元；其中所述外設驅動單元的輸入端連接各外設硬件，用于驅動外設硬件；所述姿態(tài)動作識別單元輸出端與人體模型庫連接，用于把實際人體動作和姿態(tài)識別出來并存入數(shù)據(jù)庫；所述人體模型庫用于保存人體屬性信息；所述硬件接口 Agent單元用于向維修資源模塊、維修仿真模塊和維修分析評價模塊提供所需的維修設備驅動程序、人體動作和姿態(tài)信息、人體屬性信息。
5.根據(jù)權利要求1所述的一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于所述維修資源模塊包括智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元、交互黑板模塊，所述智能部件Agent單元、智能人體Agent單元、智能工具Agent單元分別與交互黑板模塊連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)，其特征在于所述維修仿真模塊包括維修作業(yè)工序制定Agent單元、拆裝序列優(yōu)化Agent單元、碰撞檢測 Agent單元、維修仿真Agent單元和維修專家系統(tǒng)單元；其中所述維修作業(yè)工序制定Agent單元用于根據(jù)訓練任務Agent得出維修任務作業(yè)工序序列；所述拆裝序列優(yōu)化Agent單元用于根據(jù)樣機系統(tǒng)結構樹得到優(yōu)化的部件裝配序列； 所述碰撞檢測Agent單元用于根據(jù)樣機部件和拆裝序列得到優(yōu)化的部件裝配路徑； 所述維修仿真Agent單元用于根據(jù)維修任務、維修要素、作業(yè)環(huán)境及前提終止條件，仿真維修任務過程；所述維修專家系統(tǒng)用于存儲案例庫、知識庫和規(guī)則庫，輔助對作業(yè)工序、拆裝序列、碰撞檢測、維修過程仿真、維修要素交互進行優(yōu)化。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種民用飛機的智能虛擬維修訓練系統(tǒng)。所述智能虛擬維修訓練系統(tǒng)包括界面接口層、應用層、技術支持層。應用層包括CAD數(shù)據(jù)處理模塊、維修任務生成和管理模塊、外設硬件驅動模塊、維修資源模塊、維修仿真模塊、維修分析評價模塊。系統(tǒng)通過CAD數(shù)據(jù)處理模塊得到的數(shù)據(jù)，建立維修資源模塊Agent智能對象，結合任務生成和管理模塊產生的任務、硬件驅動模塊生成的動作庫姿態(tài)庫和虛擬人維修動作及工具的位姿模擬，對維修作業(yè)進行仿真并評價。所述系統(tǒng)采用維修要素智能交互、知識庫決策優(yōu)化相結合的訓練方式，不消耗實際資源和能量，縮短訓練時間，降低訓練成本，增強維修訓練效果，極大推動了數(shù)字化維修訓練技術的發(fā)展。
文檔編號G09B9/00GK103020332SQ20121040546
公開日2013年4月3日 申請日期2012年10月22日 優(yōu)先權日2012年10月22日
發(fā)明者孫有朝, 王豐產, 徐慶宏 申請人:南京航空航天大學